基于鲁棒观测器结构的直升机飞控系统设计

针对直升机复杂的动力学特性和日益严格的操纵品质要求,应用二自由度H∞回路成形法设计了直升机鲁棒飞行控制系统。该方法有效地将定量操纵品质指标结合到设计中,使控制系统能同时满足性能及稳定鲁棒性的要求,而且还具有明确的观测器加状态反馈控制结构,便于进行增益调节以实现大飞行包线控制。最后以某型直升机为设计对象,在典型的飞行状态点各自设计了鲁棒控制器,并进行了大飞行包线仿真验证,取得了满意的仿真结果,证明了该方法的有效性。     

基于模糊平滑切换的直升机飞行控制与仿真

研究了直升机前飞状态下的模糊平滑切换控制方法和仿真验证问题。首先,在不同的平衡点,对直升机模型进行线性化,得到线性子模型集。再针对每个子模型,设计了基于遗传算法的H∞控制器。然后采用模糊平滑切换策略设计了全局控制器。最后对设计得到的直升机飞行控制系统进行了仿真。仿真结果表明,所设计的直升机飞行控制系统实现了前飞状态下不同速度的飞行控制,保证了控制过程的平滑性,达到了ADS-33D操纵品质水平1的要求。     

直升机H∞鲁棒控制器的优化设计及仿真

为满足ADS-33E所规定的操纵品质要求,有效克服模型不确定性的影响,提出了一种基于遗传算法的直升机H∞鲁棒控制器设计方法。首先把ADS-33E频域操纵品质指标和时域指标的设计要求转换为不等式约束,在此基础上应用多目标遗传算法自动搜索满足指标要求的最优鲁棒加权函数阵,进而得到最优H∞鲁棒控制器。最后,应用上述方法设计了某型直升机横侧向H∞鲁棒控制器,仿真结果和性能分析表明,控制器具有良好的鲁棒性和操纵品质,表明了该方法的有效性。

Abstract：

A novel H∞ robust flight controller design method for a helicopter was proposed based on multiple objective genetic algorithm （MOGA）,in order to satisfy handling qualities requirements of ADS-33E and overcome inferior effect of model uncertainty. Requirements of time-domain and ADS-33E were described as inequality constraints,and MOGA was used to obtain optimal weighting functions matrices. Afterwards,optimal H∞ robust controller,which satisfied corresponding time-domain and frequency-domain requirements,was synthesized. Finally,H∞ robust controller for a certain helicopter＇s lateral motion was synthesized,and the simulation results and performance analysis show that the controller is of preferable robustness and handling quality.     

保证内回路稳定的鲁棒可靠控制器设计

鲁棒可靠控制器的设计是容错飞行控制系统研究的重要内容,设计思想就是建立系统的正常情况下的模型和故障情况下的模型,根据Lyapunov稳.定性定理求得反馈增益K,使得其能保证正常情况和故障情况下都能满足一定水平的指标要求.基于参数依赖Lyapunov方程和迭代线性矩阵不等式在直升机不确定性、H∞/LQ性能指标约束下提出直升机鲁棒可靠控制器设计方法,保证跟踪增广系统中内环系统的稳定性,通过仿真验证了该算法的有效性.     

VTOL直升机的鲁棒非脆弱H∞控制

针对含有飞行时滞的垂直起飞着陆(VTOL)直升机系统,基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)方法,设计了考虑加性控制器增益摄动的时滞相关鲁棒非脆弱H∞控制器.利用描述系统变换,得到了状态反馈鲁棒非脆弱H∞控制器存在的充分条件.在无控制增益摄动的情形下,读控制器能够允许更大的飞行时滞.引入凸优化算法,求解使闭环系统渐近稳定且干扰抑制水平最小的最优控制器参数.仿真结果表明所设计的控制器具有良好鲁棒性和非脆弱性.     

基于遗传算法的鲁棒H_∞控制系统设计

提出了一种基于遗传算法的H∞ 控制系统设计方法 ,把控制系统的多个设计目标转化成不等式约束 ,将H∞ 控制器设计中加权阵的选取表示成一个多目标优化问题 ,通过遗传算法优化加权阵参数 ,进而找到同时满足给定的频域和时域性能指标要求的H∞ 控制器。以UH - 6 0A直升机为对象 ,采用此方法设计出了直升机的鲁棒飞行控制器 ,使得所设计的直升机飞行控制系统不仅具有鲁棒性 ,而且满足所有给定的性能指标要求。     

二次D稳定约束下不确定T-S模糊系统的L∞鲁棒可靠控制

针对一类受持续有界扰动的T-S不确定模糊系统,提出了考虑执行器故障的鲁棒可靠控制器设计方法。引入基于L_∞范数理论的鲁棒性能指标及二次D稳定的概念,给出了鲁棒可靠控制器存在的充分条件。通过求解线性矩阵不等式完成可靠控制器的设计,从而使系统即使在发生执行器故障的情况下仍能满足给定的L_∞性能指标,并且闭环系统二次D稳定。仿真实例表明了本方法的有效性。     

一类非脆弱μ综合鲁棒飞行控制设计与仿真研究

为了解决在被控对象和控制器同时摄动时飞行控制系统的设计问题,提出了非脆弱μ综合鲁棒控制系统设计方法。通过数学模型的转换,将控制器的摄动转化为被控对象的摄动,解决了一类常规的鲁棒飞行控制性能设计不能保证控制器摄动时系统具有较好性能的问题。以某推力矢量飞机侧向运动为例,对其进行了非脆弱μ综合设计并做了数字仿真。仿真结果表明,本文提出的方法具有良好的鲁棒性和可行性。     

基于遗传算法的鲁棒H∞控制系统设计

提出了一种基于遗传算法的H\-∞控制系统设计方法,把控制系统的多个设计目标转化成不等式约束,将H\-∞控制器设计中加权阵的选取表示成一个多目标优化问题,通过遗传算法优化加权阵参数,进而找到同时满足给定的频域和时域性能指标要求的H\-∞控制器.以UH-60A直升机为对象,采用此方法设计出了直升机的鲁棒飞行控制器,使得所设计的直升机飞行控制系统不仅具有鲁棒性,而且满足所有给定的性能指标要求.     

模型直升机航向自适应保性能控制

提出了一种新的模型直升机航向控制算法。针对具有模型不确定性的直升机航向线性模型，提出了一种具有自适应机制的最优保性能控制器。该控制策略通过引入自适应机制降低固定增益控制器所固有的保守性，并且控制器的反馈增益应用线性矩阵不等式（LMIs）方法解得。理论分析和数字仿真表明所设计的控制器具有良好的鲁棒稳定性能。     

无人直升机局部H∞最优LPV 速度控制器设计

针对无人直升机的大范围鲁棒控制问题, 提出局部H_∞最优线性变参数(liner parameter varying, LPV)速度(local H_∞optimal LPV velocity, LHOV)控制方法。首先将无人直升机系统简化成含有干扰的LPV 系统，接着针对各个固定飞行模式独立设计H_∞静态输出反馈（H_∞static output feedback, HSOF）控制器，然后采用插补控制技术，针对每一种飞行模式下的线性系统设计一个只含有不可控部分和不可观部分的插补控制器，进而将所有模式下的控制器融合成一个LHOV控制器，从而既保证模式之间鲁棒转换，又使得系统进入任意一个模式后能达到H_∞性能最优。最后，仿真结果表明，采用此方法设计的控制器能够获得大范围良好的稳定性和鲁棒性。     

倾转旋翼飞行器无模型自适应姿态控制

采用余弦加权分配法克服了控制操纵冗余问题,采用内/外回路控制结构解决了通道间耦合问题,实现了不同飞行模式下飞行控制系统统一建模。针对无人倾转旋翼飞行器动力学模型难于准确建立问题,引入伪梯度向量和伪阶数,应用无模型自适应飞行控制策略,使飞行控制系统对存在动力学特性非线性、时变性和未建模部分的被控对象具有更强的自适应性和鲁棒性。仿真验证了无模型自适应控制器的自适应性和鲁棒性优于比例〖CD*2〗积分〖CD*2〗微分控制器,给出了倾转旋翼飞行器由直升机模式到过渡模式再到飞机模式的全过程仿真,验证了无模型自适应控制器能够应用于倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,为无人倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,提供了一套新的控制系统设计方法,便于工程实现。     

基于模糊加权的多模态切换控制器设计与仿真

针对多模态切换控制问题,提出并设计了基于模糊加权的模态切换控制器。对无人直升机的飞行模态切换实例进行研究,仿真结果说明该方法可以软化模态切换过程,提高暂态响应特性,并且具有一定的鲁棒性。     

基于ESO的无人直升机轨迹鲁棒跟踪控制

围绕无人直升机实际飞行中的不确定性问题,将扩张状态观测器(extended state observer, ESO)与自适应反步法相结合设计控制器来实现无人直升机轨迹的鲁棒跟踪控制。首先,建立了无人直升机的数学模型,建模过程中考虑未建模动态、模型简化误差、外界大气扰动以及燃油消耗导致的惯性参数摄动等多种不确定性来源。同时,将主旋翼一阶挥舞动态耦合进无人直升机6-DOF刚体动力学方程,建立了简洁且又反映无人直升机旋翼挥舞这一重要特征的等效模型。然后,基于ESO和自适应反步法设计了位置控制器、姿态控制器以及力矩控制器,其中利用自适应策略对无人直升机质量及惯性矩阵等慢变摄动参数进行估计,利用ESO对未建模动态及外界阵风等高频扰动进行观测,并通过前馈补偿实现对系统不确定性的综合抑制。最后,通过数值仿真验证了方法的可行性和有效性。仿真结果表明,该方法比纯自适应反步法具有更高的不确性抑制效率和控制精度,能够实现无人直升机在多种不同类型扰动同时作用下轨迹的鲁棒跟踪控制。     

New robust fault-tolerant controller for self-repairing flight control systems

A new robust fault-tolerant controller scheme integrating a main controller and a compensator for the self-repairing flight control system is discussed. The main controller is designed for high performance of the original faultless system. The compensating controller can be seen as a standalone loop added to the system to compensate the effects of fault guaranteeing the stability of the system. A design method is proposed using nonlinear dynamic inverse control as the main controller and nonlinear extended state observer-based compensator. The stability of the whole closed-loop system is analyzed. Feasibility and validity of the new controller is demonstrated with an aircraft simulation example.     

基于非线性干扰观测器的转台反演鲁棒控制研究

针对转台系统三框耦合干扰和不平衡负载干扰等非线性因素的影响,提出了基于非线性干扰观测器的转台鲁棒Backstepping控制器.首先,阐述了鲁棒反演控制器的设计及稳定性证明;其次,通过设计并选择合适参数的NDO控制器,并进一步保证NDO控制器的全局指数稳定性及其有效性.实验仿真表明,这种新型鲁棒控制器能够很好地克服了转台现存的非线性因素影响,非常适合高精度飞行仿真转台系统的鲁棒控制.     

无人直升机发动机PID自适应控制系统

以某型无人直升机发动机为被控对象,设计了数字式发动机控制系统。介绍了该控制系统的结构、功能和软硬件实现,利用台架试车试验验证了发动机控制系统的可行性,采用PID自适应控制策略解决了试车试验中所发现的问题。利用PC104嵌入式计算机系统构建了发动机控制系统的半物理仿真平台,完成了半物理仿真试验。仿真结果表明发动机PID自适应控制器能够实现不同工况下的参数自动整定,满足无人直升机飞行控制要求。     

一种图形化多回路直升机控制律鲁棒选参方法

直升机基于姿态和速率反馈的内回路控制律设计可以归为典型的多回路控制律选参问题。提出了一种图形化多回路控制律鲁棒选参方法，将针对闭环系纯的指标要求直接映射到增益参数平面，从而以直现的形式实现面向ADS-33E品质规范的控制律鲁棒参数设计。该算法可普遍应用于多回路控制律选参问题的求解，对SR-61悬停模态控制律设计的算例显示了它的直观和有效。该方法已应用于型号设计中，取得了较好的效果。